Seminar vật lý điện tử: Phát xạ quang điện tử và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ******** KHOA VẬT LÝ BM VẬT LÝ ỨNG DỤNG SEMINAR VẬT LÝ ĐIỆN TỬ: PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG GVHD:PGS.TS LÊ VĂN HIẾU SVTH:1.DƯƠNG THANH TÀI 2.PHẠM THANH TUÂN 3.BÙI QUỐC VIỆT 4.PHẠM VĂN VIỆT TP.HỒ CHÍ MINH,THÁNG 11/2007 MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………………………3 A. PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ I .Hiện tượng quang điện tử……………………………………………………..4 1. Hiện tượng 2. Định luật II. Phát xạ quang điện tử của kim loại…………………………………………..5 1. Bản chất định luật Einstein 2. Sự phụ thuộc trường ngoài của υ0 3. Lý thuyết phát xạ điện tử của kim loại III. Phát xạ quang điện tử của bán dẫn và kim loại……………………………..11 IV.Yêu cầu của photocathode…………………………………………………...13 B.ỨNG DỤNG I.Photocathode:dùng làm thiết bị quan sát ban đêm…………………………….16 II.Quang Trở (LDR)……………………………………………………………..17 III.Pin Quang Điện………………………………………………………………18 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………….20 Nhận xét của giảng viên…………………………………………………...20 LỜI NÓI ĐẦU Hiện tượng phát xạ quang điện tử được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta (như quang trở để tạo mạch điện tự đóng ngắt đèn đường,photocathode dùng làm thiết bị quan sát ban đêm,pin quang điện,…và rất nhiều ứng dụng khác).Chính vì vậy,việc đi sâu nghiên cứu hiện tượng phát xạ quang điện tử là rất cần thiết và thật cần thiết hơn đối với một sinh viên ngành vật lý ứng dụng.Mặc dầu vậy,với một khoảng thời gian không nhiều lắm cộng với lượng kiến thức còn hạn chế,nhất là trong việc nghiên cứu khoa học mà tiểu luận này còn rất nhiều điểm thiếu sót.Chính vì thế,sự nhận xét của thầy,góp ý của các bạn sẽ giúp chúng tôi hiểu sâu sắc hơn đề tài này. Qua đây,chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn thật chân thành đến thầy PGS.TS Lê Văn Hiếu-Trưởng BM Vật Lý Ứng Dụng-Khoa Vật Lý-Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQG TPHCM-Thầy là người đã trực tiếp giảng dạy chúng tôi môn Vật Lý Điện Tử và hướng dẫn chúng tôi hoàn thành tiểu luận này. Nhóm thực hiện: Dương Thanh Tài-0513198 Phạm Thanh Tuân-0513025 Bùi Quốc Việt -0513211 Phạm Văn Việt -0513029 MỞ ĐẦU Như chúng ta đã biết,ở nhiệt độ T=0oK thì tất cả những điện tử trong kim loại đều có khuynh hướng chiếm các mức năng lượng thấp nhất,nhưng mà không vượt quá mức năng lượng Fermi. Điện tử ở trong trạng thái này bền,không có khả năng phát xạ. Để những điện tử này thoát ra khỏi kim loại thì phải kích thích năng lượng thích hợp cho chúng. Năng lượng này phải thỏa mãn điều kiện:W≥W0. loại phát xạ như vậy được gọi là phát xạ điện tử bằng kích thích. Ví dụ:phát xạ nhiệt điện tử,phát xạ quang điện tử,phát xạ điện tử thứ cấp,… Trong phần này chúng ta sẽ khảo sát phát xạ quang điện tử. A.PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ: I. Hiệntượng quang điện tử 1. Hiện tượng Khi một thông lượng bức xạ điện từ đập lên bề mặt một vật thể bất kỳ thì: + Một phần bị phản xạ + Một phần bị hấp thụ Bức xạ điện từ tới phần phản xạ Phần hấp thụ Ở đây chúng ta sẽ xét phần bức xạ bị hấp thụ. Do bức xạ bị hấp thụ nên có thể: • Làm xuất hiện những hạt tải điện mới(điện tử,lỗ trống):điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng lấp đầy,có nghĩa là làm tăng độ dẫn điện. hiện tượng này được gọi là quang dẫn hay hiệu ứng quang điện nội.(xảy ra ở bên trong vật thể) Hiệu ứng quang điện nội không xuất hiện ở kim loại. điều này được giải thích là:vì trước khi mà có bức xạ đập vào thì bản thân kim loại đã có rất nhiều hạt tải điện. hiệu ứng này dễ dàng xuất hiện ở bán dẫn hay chất cách điện. • Có thể xuất hiện nhưng điện tử có năng lượng lớn trong vật thể, một số vượt qua hàng rào thế năng trên bề mặt vật thể đó và phát xạ. hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện ngoại hay phát xạ quang điện tử.(xảy ra bên ngoài vật thể) 2. Định luật: a. Định luật Stoletove: dòng quang điện tử(trong chế độ bão hòa) tỷ lệ thuận với dòng bức xạ đâp lên cathode: iΦ~I HìnhA.1.1:Aleksandr Stoletov (1839-1896 )  Hình A.1.2 Photon đập vào bề mặt kim loại->các electron thoát khỏi bề mặt b.Định luật Einstein: năng lượng cực đại của quang điện tử tỷ lệ thuận với tần số bức xạ và không phụ thuộc vào cường độ của nó: ( 1 mv2) 2 Hình A.1.3 Albert Einstein (1879 - 1955 )  max  =a+bυ Hình A.1.4 Sơ đồ mô tả thí nghiệm hiện tượng quang điện ngoài Hai định luật này sẽ được giải thích ở phần sau. Tính chất của định luật quang điện là không quán tính. Hiệu ứng này sẽ xuất hiện hay biến mất phụ thuộc vào việc chiếu sáng hay ngừng chiếu sáng vào cathode. II. Phát xạquang điện tử của kim loại: 1.Bản chất của định luật Einstein: Khi T>0(K),thì năng lượng của điện tử trong kim loại là :W = ε + δW.trong đó: δW. Là năng lượng nhiệt kích thích điện tử. Năng lượng của điện tử sau khi hấp thụ điện tử là: W = ε + δW + hν Nếu xung lực của điện tử hướng đền bề mặt kim loại,thì trên đường đi đến bề mặt đó điện tử mất đi một năng lượng ΔW .điện tử thoát ra khỏi kim loại có hàng rào thề năng W0 và mang theo một động năng bằng: o 1 mv2 = ε + δW + hν – ΔW – W 2  = δW + hν – ΔW – Φo Với ε – Wo = Φo : năng lượng cần thiết để điện tử trên mức Fermi vượt qua khỏi hàng rào thế năng Điện tử có năng lượng lớn nhất khi ΔW = 0;nghĩa là không mất năng lượng do tương tác giữa điện tử với vật chất bên trong kim loại.khi đó: max ( 1 mv2)  = hυ- Φo+ δW 2 Nếu bỏ qua năng lượng kích thích nhiệt(δW = 0) của điên tử thì ta được phương trình Einstein: max ( 1 mv2)  = hυ- Φo 2 Từ định luật Einstein suy ra rằng: 1. vân tốc của điện tử không phụ thuộc vào hυ mà chỉ phụ thuộc vào tần số υ của bức xạ 2. a) hν < Φo : hiệu ứng quang điện không xảy ra b) hν – Φo = 0 hay νo = F 0 h : biên đỏ hiệu ứng quang điện(tần số nhỏ nhất mà từ đó bắt đầu có hiệu ứng quang điện)  = c = ch l 0 n 0 F 0 Vậy công thức Einstein có thể viết lại như sau: max ( 1 mv2)  =h(υ-υ0) 2 3. Nói một cách chặt chẽ thì định luật Einstein chỉ đúng khi T = 0(K),tức là δW = 0 2.Sự phụ thuộc trường ngoài của νo Khi có trường ngoài,như đã chứng minh công thoát hiệu dụng bằng: Do đó, ta có: F E = F 0 - e eE F E (u 0)E = h  = u 0 - e eE h Đây là biểu thức của νo phụ thuộc vào trường ngoài 3. Lý thuyết phát xạ quang điện tử của kim loại: a) Mật độ dòng phát xạ: Mục đích của phần này là tìm ra được phương trình mật độ dòng quang điện tử: j = aA T 2 f é h(n -n o ) ù kT f o ê ú ë û Bây giờ chúng ta đi giải quyết vấn đề này Muốn tìm mật độ dòng phát xạ,về nguyên tắc phải giải quyết một số vấn đề sau: 1. Xác suất hấp thụ photon của điện tử phụ thuộc vào tần số ν, cường độ và năng lượng photon 2.Các điện tử có sự phân bố theo năng lượng sau khi hấp thụ photon 3.Xác suất điện tử hấp thụ photon đi tới được bề mặt kim loại và sự mất mát năng lượng trên đường đi của chúng 4.Xác định hệ số truyền qua D của điện tử khi đi qua hàng rào thế năng trên bề mặt kim loại Để giải quyết cùng một lúc đầy đủ những vấn đề trên gặp rất nhiều khó khăn. Do đó Fowler đã đề xuất những giả thiết đơn giản sau: 1.trạng thái của điện tử trong kim loại được biễu diễn bằng lý thuyết điện tử tự do của Sommerfield. 2. xây dụng lý thuyết chỉ đối với dãy tần số gần biên độ đỏ. Điều đó có nghĩa là, dòng quang điện tử chỉ gồm những điện tử trước khi hấp thụ photon có năng lượng gần mức Fermi. . Do đó, xác suất hấp thụ photon P của điện tử bất kỳ trong hiệu ứng quang điện có thể xem như giống nhau, tức P = const. 3. hệ số truyền qua D được xác định: D = 0 khi Wx < W0 D = 1 khi Wx ≥ W0 Với Wx là năng lượng điện tử trong kim loại; Wo là năng lượng rào thế tại bề mặt kim loại 4.quang điện tử khi thoát ra ngoài chân không,không bị va chạm như trong kim loại Với những giả thiết trên,có thể xem những điện tử khí ở trên lớp bề mặt kim loại được chiếu sáng với tần số ν gồm hai loại: - Một loại điện tử có năng lượng nằm gần mức Fermi. Ở nhiệt độ thường, khi Wo – ε >> kT, chúng không thể tự thoát khỏi kim loại -Một loại điện tử được kích thích bởi hν. Chúng có thể thoát ra khỏi kim loại khi có năng lượng Wx > Wo và tạo thành dòng quang điện. Như vậy, sự phân bố của điện tử hấp thụ photon theo năng lượng Wx cũng có cùng đặc trưng như đối với điện tử khí thông thường, chỉ có điều sự phân bố này dịch chuyển về phía tăng năng lượng một khoảng hν Những điện tử này có thể thoát ra khỏi kim loại khi Wx > W0 và tạo thành dòng quang điện. như vậy sự phân bố của điện tử hấp thụ photon theo năng lượng ,tức là theo Wx cũng có đặc trưng như đối với điện tử khí thông thường nhưng chỉ dịch chuyển về phía tăng năng một lượng hν Vì điều kiện để điện tử bức xạ ra khỏi kim loại là Wx > Wo hay Wx = Wo nên khi điện tử hấp thụ photon năng lượng hν thì năng lượng của điện tử là Wx + hν. Điều này hoàn toàn tương đương với việc năng lượng rào thế giảm đi một lượng hν. Số điện tử đập lên một đơn vị đập lên một đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong một giây theo hướng x có năng lượng nằm trong khoảng Wx đến Wx + dWx là: dN = 4pmkT h3 æ ç lnç1 + e è e -Wk kT ö ÷ ÷dWx ø Giả sử α là xác suất hay tỷ số giữa mật độ điện tử khí được kích thích bởi photon trên lớp bề mặt kim loại với mật độ điện tử khí thông thường. a = D Do Số quang điện tử thoát ra trên 1 cm2 bề mặt kim loại trong một giây: Đặt : e - W t = x kT  Nf = a 4pmkT h3 ¥ ò Wo - hn æ ç lnç1 + e è e -Wk kT ö ÷ ÷dWx ø Ký hiệu :  e - (W - hn ) h(n -n ) x = o = o kT kT ( với Wo – ε = hνo ; νo là tần số ánh sáng kích thích tối thiểu để xảy ra hiệu ứng quang điện) t = e - Wx kT Þ dt = - 1 kT  dWx e - (W - hn ) Tại Wx = Wo – hν Þ t = o = x kT Tại Wx = ∞ Þ t = e - ¥ kT  = -¥  p 2 2 x Đặt : x (*) Þ Nf = a 4 mk T h3 ò ln(1 + et )dt - ¥ f ( x) = ò - ¥ ln(1 + et )dt Theo kết quả tính toán: f ( x é ê ) = ê ¥ - å (-1)n 2 n=1 enx n2  khi x £ 0 ¥ 2 êp + x - å (-1)n e -nx  khi x ³ 0 2 6 2 n=1 n Tại x = 0:  é ê f (0) = ê  e ¥ 0 ¥ 2 - å (-1)n 2 n=1 n  khi x £ 0 p 2 = 2 êp + 0 - å (-1)n e -n 0 khi x ³ 0 12 2 6 2 n=1 n Từ đây, ta có thể tính được mật độ dòng quang điện (là điện lượng chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian): Đặt:  4pmk 2 e  2 jf = eNf 2 = ea 4pmk T 2 h 3  f ( x) Ao = 3 h Þ jf = aAoT f ( x) Mà: f x = h(n -n o ) Þ j  ê o = aA T 2 f é h(n  -n o ) ù ú kT ë kT (*) û Đây là phương trình mật độ dòng phát xạ. b) Bàn luận kết quả nhận được: Từ phương trình: j = aA T 2 f é h(n -n o ) ù f o kT (*) Ta có :  Ao = 4pmk 2 e h 3  ;hằng số nhiệt điện tử sommerfield của biểu thức mật độ dòng phát xạ nhiệt điện tử. điều này không phải là ngẫu nhiên, vì rằng chúng ta dùng hàm phân bố theo năng lượng của điện tử trong trường hợp này giống như trong trường hợp phát xạ nhiệt điện tử và không giới hạn gì về nhiệt độ của nó. Do đó việc khảo sát của chúng ta mang tính tổng quát. Khi ν = 0 và α = 1có nghĩa là không có ánh sáng kích thích(ν = 0 ) và toàn bộ điện tử trong kim loại đều bị kích bởi năng lượng nhiệt, thì ta có: x = h(n -n o ) = - hn o = - fo £ 0 (Với Φo = hνo = Wo – ε) kT kT kT ¥ e nx - fo Þ f ( x) = -å (-1) n=1 = e x = e kT n 2 f - o o Þ j = A T 2 e kT Phương trình (*) trùng với phương trình mật độ dòng phát xạ. Khi T = 0(K) a) ν < νo x = h(n -n o ) ¾T¾®¾0 ® -¥ < 0 kT  - fo 1 Þ f ( x) = ex = e kT = fo e kT Do T = 0(K) nên f(x) = 0 => j = 0 điều này đúng với định luật Einstein, có nghĩa là khi mà ν < νo thì không có hiệu ứng quang điện trong trường hợp này. b) ν > νo x = h(n -n o ) ¾T¾®¾0 ® ¥ > 0 kT ¥ 2 2 Þ f ( x) = p + x - å (-1)n e - nx 2 ¾¾x®¾¥ ® p  2 + ¥ + 0 6 2 Û f ( x) ® ¥ n=1 n 6 2 j = 1 a Ao h (n -n )2 Þ f parabol 2 k 2 o có nghĩa là: đường đặc trưng phổ có dạng Khi T > 0(K) a) ν = νo => x = 0 o 2 f 2 Þ f ( x) = p Þ j = aA T 2 p 12 12 Trường hợp này mâu thuẫn với định luật Einstein. Theo Einstein, khi n £ n o thì jΦ vẫn còn bằng 0. Sở dĩ ở đây jΦ > 0 là do chuyển động nhiệt của điện tử. Rõ ràng, khi T tăng thì νo sẽ không còn là giá trị xác định, mà biến đổi theo T. b)ν > νo => x >>1 p 2 x 2 æ p 2 x 2 ö Þ f ( x) = + Þ jf 6 2 = aAoT ç + ÷ 2 è 6 2 ø Thay :  x = h(n -n o ) kT 2 ép 2 h 2 (n -n o ) ù 6 jf = aAoT ê + ë 2k 2T 2 ú o jf = aA T 2p 2 6 aA h2 (n -n ) o + o û 2k 2 ở đây:  o aA T 2p 2 6  o aA h2 (n -n ) << o 2k 2 ð jΦ phụ thuộc rất ít vào T c)ν x << -1 f(x) = ex Ta có: 2 x  h(n -n 0 ) 2 kT jf = aAoT e = aAoT e trùng với phương trình mật độ dòng phát xạ nhiệt điện tử. Trong trường hợp này, sự hấp thụ lượng tử hν tương đương với sự giảm công thoát một lượng là hν. III.3. Phátxạquang điện tử của bán đẫn và cách điện III.3.1.Bán dẫn không tạp chất và cách điện: Khi T=0(k) thì vùng dẫn sẻ trống rỗng,nếu giả thuyết rằng một trong số điện tử nằm trong vùng đầy hấp thụ toàn bộ năng lượng hu thì điều kiện để phát xạ quang điện tử là : hu ³ y + Qo ở đó y - là công thoát ngoài Qo -là độ rộng vùng cấm . Năng lượng cực tiểu cần cung cấp cho một điện tử ở mức trên cùng của vùng đầy để tách nó ra khỏi kim loại được gọi là công thoát quang điện tử ff . Tần số biên của phát xạ quang điện tử uo được xác định hu o = ff = y + Qo  (3.72) Nhớ lại rằng công thoát phát xạ nhiệt điện tử uo = Wo-e như vậy : Qo Qo f o = y + = ff - 2 2 (3.73) Đối với tinh thể có nhiệt độ nóng chảy cao f o có thể xác định bằng phương pháp đo dòng phát xạ nhiệt điện tử còn ff đo tần số biên. Thực nghiệm trên chứng tỏ rằng đối với Si: ff =4.37eV; f o =3.8eV do đó từ (3.73)ta có Qo =1,14eV Bằng phương pháp khác nhận được Qo =1,1eV. Như vậy kết quả khá trùng nhau . Chú ý rằng trong kim loại, khi T=0(k)mức e trùng với mức năng lượng cao nhất của điện tử trong vùng. Vì vậy đối với kim loại f o = ff , đó là điều khác nhau căn bản trong hiệu ứng quang điện của bán dẫn và kim loại . III.3.2. Bán dẫn có tạp chất Trong trường hợp bán dẫn điện tử(loại n), nếu nồng độ nguyên tử tạp chất donor lớn và nhiệt độ không cao (ví dụ ở nhiệt độ phòng ) thì nồng độ điện tử tập trung ở trên các mức tạp chất donor và trong vùng đầy nên tần số uo huo = ff = y + Q Hình A.3.1:Giản đồ năng lượng của bán dẫn loại N được xác định từ đẳng thức : (3.1) Mức năng lượng fermi cách mức tạp chất donor một khoảng d ,và nhiệt độ thấp Q thì : d = 2 Do đó hệ thức giữa f o và ff có dạng : f o = ff - d Như vậy với nhiệt độ thấp :  f o = ff - Q 2  (3.2) Trong bán dẫn loại P,ở trạng thái thường (trang thái không bị ion hóa ) những mức tạp chất không chứa điện tử;những mức chứa đầy điện tử nằm thấp hơn mức năng lượng e một khoảng d như trên Q d = 2 Từ đó suy ra rằng : Khi T nhỏ thì f o = - Q 2 hu o = y + Qo f o = ff - d (3.3) Hình A.3.2:Đường đặc trưng Volt-Ampere Nếu tần số đủ lớn thì ta nhận được trong phát xạ quang điện tử ở bán dẫn loại n không chỉ những điện tử ở mức tạp chất donor, mà cả mức và các điện tử nằm trên vùng đầy nữa. rõ ràng rằng, vận tốc của điện tử thoát ra khỏi bán dẫn từ mức tạp chất sẻ lớn hơn vận tốc của những điện tử của vùng đầy, và do đó đặc trưng volt-ampe phải có dạng bậc(hình 3.2). sự có mặt nhiều vùng như thế phải phản ánh lên dạng đặc trưng phổ. Ví dụ như đối với bán dẫn loại n, với loại tạp chất donor,những mức năng lượng của chúng không trùng nhau và chiếm một vùng rất nhỏ, dòng quang điện tử xuất hiện khi huo = y + Q và độ nhạy của chúng qua một cực đại, sau đó lại giảm, vì sau vùng năng lượng tạp chất là vùng cấm. sau khi đạt đến tần số hu = y + Qo , độ nhạy bắt đầu tăng vì ở đấy tương ứng với mức năng lượng điện tử ở vùng đầy-đường đặc trưng phổ lại xuất hiện cực đại thứ hai. Như vậy trên dạng đặc trưng phổ đã phản ánh cấu trúc năng lượng. III.4. Yêu cầucủa photocathode Những kim loại nguyên chất, dùng để làm photocathode có lượng tử thoát ( hay thường được gọi là độ nhạy g = số quang điện tử/số hu ) của kim loại rất nhỏ và biên quang điện tử của tất cả kim loại (trừ kim loại kiềm) đều nằm trong vùng tử ngoại hay ở biên của ánh sáng tím. Vì vậy cathode kim loại được dùng chỉ khi cần có photocathode có độ nhạy lớn ở vùng tử ngoại. photocathode kim loại lớn có ưu điểm lớn là : a) Độ nhạy của nó luôn luôn không đổi dù ánh sáng rọi vào cathode có cường độ lớn trong thời gian dài tùy ý . b) Ở nhiệt độ thường, phát xạ nhiệt điện tử hoàn toàn không xảy ra. Tính chất này quan trọng đối với cathode nhân quang điện tử . Phủ lên trên bề mặt kim loại Ag, W một khoảng mỏng đơn nguyên tử (ví dụ K, Na,hay Cs) sẻ làm giảm công thoát điện tử, tất nhiên cũng làm biên quang điện u 0 dịch chuyển về phía bước sóng lớn. Tuy nhiên điều đó không phải cơ sở để tăng lượng tử thoát, vì điều kiện chuyển năng lượng photon cho điện tử bên trong cathode và điều kiện chuyển động của điện tử đến bề mặt của nó vẫn như trước. Ngày nay người ta ít dùng photocathode màng mỏng . Tần số biên u 0 của chất cách điện có vùng cấm rất lớn, luôn luôn nằm rất xa vùng tử ngoại, do đó nó không thuận lợi đối với những công trình quan trọng trng thực tế bằng những chùm ánh sáng thấy được . Đặc trưng phổ nằm trong vùng ánh sáng thấy được có thể nhận được ở cathode bán dẫn loại n với mức tạp chất donor, cũng như tất cả bán dẫn có vùng cấm Q0 không lớn lắm. Tuy nhiên, vị trí của tần số biên u0 không phải yêu cầu duy nhất của photocathode. Một yêu cầu khác, là phải có lượng tử thoát lớn. điều đó có thể nhận được photocathode bán dẫn vì: a) Phần lớn năng lượng của ánh sáng hấp thụ được để kích thích quang điện tử, tức là hấp thụ quang điện tử lớn. đối với bán dẫn, hấp thụ quang điện là lớn nhất khi điện tử thoát ra ngoài từ vùng đầy, vì số điện tử trong vùng này luôn luôn lớn vùng tạp chất, mặc dù cũng có thể nhận được sự phát xạ đáng kể quang điện tử từ mức tạp chất . b) Trên đường đi của quang điện tử, từ chổ sinh ra nó đến bề mặt cathode, năng lượng của chúng không bị mất mát nhiều. điều kiện đó thỏa mãn ở bất kỳ loại bán dẫn nào. Vì các điện tử dẫn điện có nồng độ nhỏ nên sự mất mát năng lượng do tương tác giữa chúng là không lớn lắm. Ngoài ra, cần chú ý giảm công thoát ff . Muốn vậy cần phủ lên trên bề mặt cathode một lớp mỏng đơn nguyên tử . Tất cả những yêu cầu trên được thỏa mãn với photocathode bán dẫn phức tạp. ngày nay loại cathode này được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật, như photocathode Ag, Cs2O-Cs và Cs2Sb. Sơ đồ chế tạo và giản đồ năng lượng của 2 loại photocathode trên được trình bày trên hình 3.3 và 3.4 tương ứng . Hình A.3.3 Photocathode Ag-Cs2O-Cs Hình A.3.4.Photocathode (Cs3Sb) có 2 mức tạp chất donor:Cs và Ag là cathode bán dẫn loại p Cs3Sb là loại photocathode hiệu dụng điển hình. Nó mang đặc trưng cathode bán dẫn loại p (hình 3.3), do sự phá vỡ cầu trúc hợp thức của mạng bởi sự xuất hiện nguyên tử thừa Sb. Đặc trưng phổ Cs3Sb được trình bày trên hình (3.5). tại miền cực đại 0 ( l max » 4200 ¸ 4500 A ) lượng tử thoát g rất lớn, có thể đạt tới 0.25 ¸ 0.3; do đó độ nhạy tích phân STP đạt khoảng từ 60 ¸ 100 mA/Watt. Điều này liên quan phát xạ quang điện tử từ vùng hóa trị của bán dẫn Cs3Sb. Chỉ phần đuôi của đường đặc trưng phổ (sẻ biến mất khi photocathode làm lạnh ) mới có thể giải thích nhờ sự phát xạ quang điện tử từ mức tạp 0 chất acepor. Bước sóng biên quang điện l » 6200 ¸ 7000 A tương ứng với ff » 1, 7 ¸ 2eV . Mật độ dòng tương đối nhỏ, khoảng 10-16 ¸ 10-15 A/cm2. Photocathode Ag-Cs2O-Cs là cathode bán dẫn loại n. chất cách điện Cs2O chứa những nguyên tử thừa Cs và Ag tạp chất donor. Phát xạ quang điện tử với bước sóng 0 l » 7500 ¸ 8500 A liên quan đến dịch chuyển điện tử từ mức tạp chất Cs, còn cực đại của vùng sóng ngắn với tạp chất Ag. Đặc trưng của photocathode Ag-Cs2O-Cs cũng được trình bày trên hình (`3.5) (theo tỷ lệ xích của STP bên phía phải). khác với photocathode Cs3Sb, phần lớn đường đặc trưng phổ kéo dài về phía bước sóng lớn. cực đại cơ bản của độ nhạy phổ nằm trên vùng 0 hồng ngoại ( l max » 8000 ¸ 8500 A ). Nó là loại cathode phát xạ duy nhất có độ nhạy lớn trong 0 vùng hồng ngoại . biên quang điện l 0 có thể đạt tới 1200 A ứng với ff » 0, 87 ¸ 1eV . Phorocathode Ag-Cs2O-Cs không thuộc loại cathode hiệu dụng. lượng tử thoát g của nó 0 ở cực đại thứ nhất ( l max » 3500 A ) không vượt quá 0,01; còn cực đại phía bước sóng lớn có g khoảng 0,003~0,005. tuy nhiên độ nhạy tích phân đủ lớn (khoảng 2 mA/watt). Nhược điểm Photocathode này là mật độ dòng nhiệt lớn . ở nhiệt độ phòng, nó thường đạt tới 10-13-10-11A/cm2. độ nhậy tích phân được xác định như sau: I STP= F Trong đó, I là dòng quang điện: F là thông lượng ánh sáng . Vì g = I / e F / hu  nên suy ra :  STP=  gl 12, 3 0 Trong đó STP tính bằng mA/Watt; l tính bằng A và g tính bằng số điện tử / số photon. Hình 3.5:Đường đặc trưng của phổ photocathode 1.SbCs3 không trong suốt;2.SbCs3 trong suốt;3.Ag-Cs2O-Cs B.ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TỬ: I.Photocathode: Trong thế giới tự nhiên có nhiều loài vật có thể quan sát được trong đêm tối như : rắn , dơi , mèo ,…. –Rắn quan sát trong đêm tối nhờ thu nhận bức xạ hồng ngoại phát ra từ con mồi qua đó nó có thể định vị được vị trí của con mồi. –Dơi định vị trong đêm tối nhờ phát ra và thu nhận những song âm từ đó có thể xác định được chướng ngại vật. –Mèo quan sát trong đêm tối nhờ thay đổi độ rộng của đồng tử trong mắt của mèo nhờ đó nó có thể thu nhận được ánh sang yếu trong đêm tối Loài người thì không có khả năng quan sát trong đêm tối như một số loài vật bằng giác quan của mình nhưng con người lại có trí thong minh siêu đẳng từ đó con người đã tạo ra nhiều cách để có thể quan sát được trong đêm tối. Dùng photocathode là một trong những cách của con người phát minh ra dung vào việc quan sát trong đêm tối. Nó gần giống như cách để một con mèo nhìn trong đêm. Hình B.1.1: Cấu tạo photocathode làm thiết bị quan sát ban đêm Trong đó: 1.Vật kính 2,3,4. hệ khuếch đại 2.Photocathode 3.Microchannel plate 4.Hệ thống tạo ra điện trường định hướng điện tử 5.Màn ảnh 6.Thị kính Trong đêm mắt ta không thể quan sát được mọi vật xung quanh là vì trong đêm tối ánh sang có cường độ bé mắt chúng ta có cấu tạo không có khả năng quan sát trong môi trường ánh sang yếu như vậy. Vật kính có tác dụng tập trung ánh sang cường độ yếu ớt trong môi trường xung quanh như ánh sang của các ngôi sao ,mặt trăng,….Các photon này sau đó được chiếu vào photocathode . Ở đó hiện tượng phát xạ quang điện tử xảy ra.Các photon kích thích các điện tử .Mỗi một photon kích thích điện tử làm cho điện tử bị bức ra ngoài .Vì ánh sang trong tối có cường độ bé và các ánh sang có bước song khác nhau nên các vật liệu làm photocathode thường là các vật liệu có độ nhạy quang lớn. Các điện tử bay ra đi đến hệ microchannel plate ở đây cường độ của dòng điện tử được tăng cường . Sau đó dòng điện tử được định hướng trong điện trường mạnh tới màn hình quang.Tại đây các điện tử trong màn hình quang bị kích thích phát ra ánh sang khả kiến .Các ánh sang khả kiến này đi qua thị kính hội tụ tại mắt người quan sát. Đó chính là cách để ta nhìn được trong đêm tối. II.Quang trở(LDR) LDR (Light Dependent Resistor) Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng hạn) phủ trên một tấm nhựa cách điện .Có hai điện cực và gắn vào lớp chất bán dẫn đó Hình B.2.1.Cấu tạo đơn giản của quang trở Nối một nguồn khoảng vài Volt thông một miliampe kế.Ta thấy khi quang trở được đặt trong bóng tối thì trong mạch không có dòng điện qua Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn của quang trở thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch. Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu ánh sáng bởi ánh sáng nói trên. . Đo điện trở của quang trở CdS, người ta thấy: khi không bị chiếu sáng, điện trường của nó vào khoảng 3.106 Ω; khi bị chiếu sáng, điện trở của nó chỉ còn khoảng 20Ω. Ngày nay, quang trở được dùng thay cho các tế bào quang điện trong hầu hết các mạch điều khiển tự động. Xét mạch đóng ngắt đèn đường: Hình B.2.2:Sơ đồ mạch điện tự đóng ngắt đè